스마트폰이 스마트(Smart) 하게 될 수 있는 이유는 전화기 자체가 똑똑한 것이 아니라 정보의 바다인 네트워크에 연결되어 있기 때문이라고 할 수 있죠. 스마트폰이라는 단말기를 통해 정보를 검색하고, 여러 애플리케이션과 서비스를 통해 그 정보를 활용할 수 있거든요. 그렇지만, 그 바탕에는 우리가 관심 두지 않았던 센서(Sensor)의 세계가 존재합니다.
센서를 통해서 높은 정밀도와 정확도로 3차원 기기의 움직임과 위치 정보를 모니터링하거나, 주변 환경의 변화를 감지합니다. 예를 들어 게임에서 중력 센서로부터 읽은 값을 이용해 폰을 기울이거나 흔드는 것을 감지하고, 날씨 애플리케이션에서 온도와 압력, 습도를 사용해서 현재 주변 환경을 기록하는 것 모두가 센서의 도움 덕분이죠.
오늘은 스마트폰에 탑재된 센서의 종류를 알아보고 최신 스마트폰에 숨겨진 여러 가지 센서의 원리도 살펴보겠습니다.
#스마트폰에 내장된 센서는 크게 <동작·위치·환경> 센서로 분류할 수 있습니다
동작 센서는 사용자 움직임을 감지하고, 가속도와 중력, 회전속도, 회전 벡터 값, 드리프트(편향) 등을 측정합니다. 무슨 말인지 이해가 될 듯하면서도 어렵죠? 동작 센서는 자이로스코프 개념을 활용한 센서입니다. 하나씩 알아볼까요?
중력 센서는 중력의 방향과 강도를 나타내줍니다. 이 데이터를 활용하면 공간 내에서 기기의 상대적 방향을 확인할 수 있어요. 선형 가속도계는 중력을 제외한 가속을 나타내는 데이터를 제공합니다. 어떤 물체에 미치는 중력의 영향을 배제한 가속 데이터를 얻게 해주는데요. 이 센서를 활용하면 자동차가 얼마나 빨리 움직이는지 알 수 있죠. 중력 센서와 선형 가속도계를 활용하면 네비게이션 애플리케이션에서 자동차가 어느 방향으로 어떻게 이동했는지를 추적할 수 있는 거예요.
스마트폰에는 우리가 생각한 것보다 많은 센서가 내장되어 있다
회전 벡터 센서는 기기의 방향을 측정하는데요. 기기의 기울기와 방향을 측정해서 어느 방향을 바라보고 있는지, 어느 방향으로 움직이고 있는지를 알려줄 수 있어요. 이런 기본 원리를 이용해서 보행한 걸음수를 측정한다거나 회전속도를 측정하기도 하고, 이런 센서 기능을 이용해서 운동 어플리케이션에서 활용하기도 합니다. 가속도 센서와 자이로스코프는 하드웨어로 장착되어 있는데 동작 센서에 필요한 기본 데이터를 제공해요.
다음은 위치 센서에 대해서 알아보죠. 위치 센서는 기기의 물리적인 위치를 확인하는데 사용됩니다. 지자기장 센서와 가속도계를 활용해서 북극 방향을 기준으로 상대적인 기기 위치를 알려준답니다. 이 센서를 활용해서 나침반 기능을 제공하고, 기기 위치 변경을 확인할 수 있어요. 그리고 근접 센서는 특정 물체가 얼마나 멀리 떨어져 있는지 측정 해줍니다. 예를 들어 사람 머리가 헤드셋에서 얼마나 멀리 떨어져 있는지 확인하는데 사용되죠. 전화를 걸거나 받을 때 화면이 꺼지고, 터치가 되지 않도록 하는 센서에요. 보통 스마트폰의 듣는 곳, 전면 카메라 근처에 위치하고 있죠.
마지막으로 환경 센서가 있습니다. 습도, 조도, 주변 압력, 온도 등을 알려주는 4개의 센서가 있는데요. 습도는 절대습도를 퍼센트(%) 단위로 알려주고, 조도는 룩스(Lux), 압력과 온도도 절댓값으로 알려줍니다. 온도계는 기기 내부의 온도를 측정해서, 스마트폰이 과열되는 위험을 방지하는 용도로도 사용되죠. 여기에 단말 생산 업체에 따라 고도계나 다른 센서가 추가되기도 합니다. 환경 센서를 이용하면 단말 화면의 밝기를 보기 편하게 조절해 줄 수 있고, 날씨 애플리케이션에서 이슬점을 계산하거나, 관련 정보를 수집해서 전달할 수도 있죠.
#최신 폰에 장착된 새로운 센서들은 어떤 원리일까요?
지금까지 스마트폰이 공통으로 가지고 있는 센서에 대해 알아봤는데요, 최근 2~3년 새 등장한 스마트폰에는 의료용 기기에서나 볼 수 있는 심박수 측정 센서나, 자율주행 자동차에 쓰인다는 라이다(Lidar) 센서 같은 것들이 달려 있어요.
먼저 심박수를 측정하는 심박수 센서에 대해서 알아보겠습니다. 심박수 센서는 보통 빛을 내는 2개의 LED가 달려있고, 그 빛이 반사되어 돌아올 때 빛의 세기를 측정하는 감광 센서로 이루어져 있습니다. 그렇다면 어떤 원리로 심박수를 측정할까요?
심장이 수축하면서 온몸으로 혈액을 내보낼 때, 동맥의 압력이 커지면서 혈구들을 미세혈관까지 뿜어냅니다. 즉, 심장이 펌프질을 할 때마다 손가락 끝 혈구 수가 늘어나고, 이완될 때는 혈구 수가 줄어들게 되는 것이죠. 보통 혈구는 빛을 흡수하는 성질이 있어서 LED 빛을 비추었을 때 혈구가 많으면 어둡게 보이고, 혈구가 적으면 적게 보입니다. 이러한 변화를 감광 센서가 읽어내어 측정하는 원리입니다.
그렇다면 혈중 산소포화도(SPO2)는 어떻게 측정할까요? 산소를 운반하는 헤모글로빈은 적외선을 잘 흡수하고, 산소를 써버린 헤모글로빈은 빨간색 빛을 잘 흡수하는 성질을 가지고 있습니다. 스마트폰은 적외선과 빨간색 빛을 동시에 내보내서 산소가 얼마나 혈액에 많이 포함되어 있는지를 측정할 수 있는 것이죠. 이렇게 스마트폰 센서에서 붉은빛이 나는 겁니다.
라이다(Lidar:Light Detection And Ranging) 스캐너는 자율주행차에서 상대 차량이나 주변 환경을 감지하는데 사용되는 센서입니다. Light Detection And Ranging이라는 이름에서 알 수 있듯이 빛을 쏘아 목표물을 비춘 후에 반사된 신호의 특징을 측정해서 거리를 매핑합니다. 이때 수신되는 빛의 패턴은 나노초부터 마이크로초 단위까지 분석할 수 있는데, 이를 통해 아주 정밀하게 상대적인 위치를 3차원 가상공간에 그려낼 수도 있습니다.
라이다 센서가 활용되는 이유는 카메라의 영상을 분석하여 거리를 측정하는 것은 주변 밝기나 환경에 민감하여 이용이 어렵고, 초음파 센서를 통해 거리를 측정하는 것은 정확도가 떨어지고 몇 미터만 벗어나도 측정이 어려운 단점이 있기 때문입니다. 즉, 라이더 센서가 있으면 비, 안개, 눈이 내리던, 어둡고 깜깜한 환경이라도 피사체의 위치를 매우 정확하게 측정할 수 있다는 겁니다.
또한, 라이다 센서를 활용하면 가상공간에 물체를 배치한다거나, 야간 촬영 시 순식간에 초점을 맞출 수 있는 카메라 애플리케이션을 만들 수 있고, 3D 공간의 치수를 자동으로 측정하는 기능들을 만들 수 있습니다. 이를 활용해서 사진만 찍으면 2D와 3D 평면도를 만들어주는 애플리케이션도 곧 등장한다고 하니 기대해 볼만합니다.
앞으로 웨어러블, 스마트 기기에는 또 어떤 센서들이 달려 등장할까요?
